Solbrændstoffer som skabt af naturen

Dank være ny indsigt i detaljerne i fotosyntesens vandsplitning forbedres udsigterne for udvikling af rene brændstoffer baseret på vand og sollys

Samfundets energiforsyningsproblemer kan i fremtiden løses ved hjælp af en model, der er hentet fra naturen. Under fotosyntesen producerer planter, alger og visse arter af bakterier sukkerstoffer og andre energirige stoffer (dvs. brændstoffer) ved hjælp af solenergi. Et hold under ledelse af forskere fra Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion i Mülheim an der Ruhr er i øjeblikket ved at udvikle eksperimentelle metoder til at undersøge, hvordan denne proces foregår i naturen. Forskerne undersøger en særlig vigtig cofaktor, der er involveret i fotosystesen, nemlig et mangan-kalciumkompleks, som bruger solenergi til at opspalte vand til molekylær ilt. De har bestemt den nøjagtige struktur af dette kompleks på et afgørende tidspunkt i denne kemiske reaktion. Dette har ført til et detaljeret forslag til, hvordan molekylær oxygen, O2, dannes ved dette metalkompleks. Gennem denne nye indsigt i fotosyntesen har forskerne givet en plan for syntetiske systemer, der kan lagre sollysets energi i kemiske energibærere.

I over tre milliarder år har naturen brugt sollyset som sin primære energikilde i fotosyntesen. I løbet af denne proces bruger planter, alger og cyanobakterier (blågrønalger) sollyset til at spalte vand og producere energirige kemiske forbindelser fra kuldioxid (CO2). Slutproduktet er kulhydrater, som i naturen fungerer som solbrændstof i den levende celle. Selv om de grundlæggende reaktioner i fotosyntesen har været kendt i lang tid, er det nu lykkedes forskere fra Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion i Mülheim an der Ruhr og Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA) i Saclay, Frankrig, at forklare vigtige detaljer i den lysinducerede vandspaltningsproces. Dermed har de forfinet det videnskabelige grundlag for fremstilling af miljøvenlige, billige solbrændstoffer gennem kunstig fotosyntese ved hjælp af sollys og vand, en udvikling, der kan gøre det muligt for samfundet at gøre op med sin afhængighed af fossile brændstoffer som olie, kul og naturgas.

En katalysator til vandspaltning

Lysinduceret katalytisk vandspaltning finder sted ved et metalkompleks, der er indlejret i et stort membranprotein (fotosystem II). Dette kompleks består af fire manganatomer (Mn) og et calciumatom (Ca), som holdes sammen gennem et netværk af iltbroer (se billede). Dette vandoxiderende eller iltudviklende kompleks gennemgår en kompliceret cyklus, der frigør elektroner og protoner og dermed i sidste ende hydrogen og molekylær ilt.

I en artikel, der blev offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Science, præsenterer det tysk-franske forskerhold strukturen af dette mangan-calciumkompleks umiddelbart før produktionen af ilt. Denne indsigt i en vigtig fase af plantefotosyntesen er meget vigtig: den giver en mere detaljeret forståelse af den mekanisme, der er involveret i fotosyntesen, og vil gøre det muligt at udvikle syntetiske systemer til lysinduceret vandspaltning baseret på denne model.

Undersøgelsen er resultatet af et tæt samarbejde mellem afdelingerne for biofysisk kemi og molekylær teori på Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion under ledelse af Wolfgang Lubitz og Frank Neese. Inden for disse afdelinger har Nicholas Cox og Dimitrios Pantazis samlet et tværfagligt team, der har til formål at opnå en bedre forståelse af de molekylære detaljer i forbindelse med vandspaltning i naturen.

Tre udfordringer i forbindelse med forskningen i fotosystem II

Den første udfordring, som forskerne stod over for, bestod i at udvinde og rense fotosystem II med et fuldt intakt vandspaltningskompleks fra den oprindelige organisme, en termofil cyanobakterie, som findes i varme kilder og vulkaner i Japan og er meget robust. For at opfylde de meget strenge krav til præparatets kvalitet måtte forskerne i Saclay gennemføre flere års udviklingsarbejde i samarbejde med forskere fra Japan.

Den anden udfordring, som forskerholdet mødte, vedrørte karakteriseringen af mangankomplekset i fotosystem II under de forskellige faser af vandspaltningen. Forskerne fra afdelingen for biofysisk kemi ved Max Planck-instituttet i Mülheim overvandt denne forhindring ved hjælp af elektronparamagnetisk resonans (EPR). Denne teknik gør det muligt at visualisere fordelingen af elektronerne i et molekyle eller et metalkompleks og giver dermed et dybtgående indblik i de enkelte faser af vandspaltningen. “Disse målinger har givet nye oplysninger og har gjort det muligt at løse problemer med detaljeret analyse af molekylære strukturer i reaktionscyklussen, som ikke er tilgængelige med andre metoder”, siger Alain Boussac fra CEA Saclay.

Den tredje udfordring bestod endelig i at bruge de opnåede oplysninger til at fremstille en komplet strukturel model af biokatalysatoren. De beregninger, der var nødvendige for denne proces, blev gjort lettere ved hjælp af nye teoretiske metoder og supercomputerne på afdelingen for molekylær teori på Max Planck-instituttet. På denne måde lykkedes det forskerne at vise, at i den sene fase af reaktionscyklussen binder et andet vandmolekyle sig ved siden af et aktivt oxygenatom i komplekset og frigiver en proton. Dette fører til dannelsen af O-O-bindingen i det næste trin.

Brændsel fra sollys – kopiering af naturen

Takket være denne afkodning af strukturen og funktionen af den vandspaltende katalysator i fotosystem II på atomart niveau er en forklaring på mekanismen for vandspaltning nu inden for rækkevidde. Denne viden gør det muligt at identificere vigtige kriterier for udformningen af lignende syntetiske katalysatorer, der spalter vand ved hjælp af miljøvenlige, billige og let tilgængelige elementer. På nuværende tidspunkt anvendes dyre platin og andre sjældne metaller eller metalkomplekser i vid udstrækning til dette formål. Dette gør det meget dyrt eller endog umuligt at producere vedvarende energibærere (brændstoffer) som f.eks. brint i stor skala.

Med hjælp af bioinspirerede katalysatorer kan brint eller et andet solbrændstof produceres billigt ved at kombinere solenergianlæg med vandspaltningskatalysatorer til produktion af solbrændstoffer i stedet for elektricitet. Dette ville gøre det muligt for energisektoren at overvinde de største problemer, der er forbundet med solenergi: sollys er ikke tilgængeligt døgnet rundt som energikilde, og elektricitet er ikke særlig velegnet til at drive motorkøretøjer. Solbrændstofkonceptet giver derimod mulighed for direkte lagring af solenergi i kemiske forbindelser og dermed for anvendelse af denne energi når som helst og hvor som helst.

“Syntetiske solbrændstoffer åbner vidtrækkende muligheder for vedvarende energiteknologier, især inden for transport- og infrastruktursektoren, som stadig er afhængige af fossile brændstoffer”, siger professor Wolfgang Lubitz, direktør for Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion. “En effektiv lysdrevet katalysator til vandspaltning baseret på almindelige metaller som f.eks. mangan ville være et stort fremskridt på dette område. Den indsigt, som denne forskning har givet i naturens vandspaltningsenzym, har skabt grundlaget for en sådan udvikling.”

ES/PH